混凝土内部T型弯管流动换热数值模拟
卢玉林 ，李文倩’，梁永朵 ，卢滔’，刘小阳 ，王丽’，魏佳’
(1．防灾科技学院，北京101601；2 中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨150001)
摘要： 采用有限元方法计算了三通弯管的流场分布和换热效率。获得了T型弯管横截面的平均速度和 换热系数沿管程的分布曲
线。数值结果表明，弯曲位置附近流场分布复杂，弯曲位置后水流量得到二次分配；分支管壁出现分离区和回流区，横截面出现二次流。Ⅳu
数在主管和分支管沿管长方向均出现衰减，且分支管衰减比率大于横向管。在数值分析混凝土结构温度场中，应注意弯管节点附近施加不
同的换热系数。
关键词： 混凝土；有限元；T型弯管；换热系数
中图分类号： TU528．01 文献标志码： A 文章编号： 1002—3550(20l1)06—0057—03
Numerical simulation of flow heat transfer on T-junction embedded in concrete
LUYu—lin ，LIWen-qian ，LIANG Yong-duo ，LUTao ，LIUXiao-yang ，WANGLi ，WEI胁’
(1．Institute ofDisaster Prevention，Beijing 101601，China：
2．Institute ofEngineering Mechanics，China Earthquake Administration，Haerbin 150001，China)
Abstract： A finite element method was developed to simulate the flow field distribution and the heat transfer eficiency ofr-junction in conc~ ．
The mean water velocity and Nusselt numbers on each section were obtained in this m anuscript Numerical results show that the flow field distribu—
tion was very complex and a new flow velocity was distributed in the junction position．A separation zone and recirculation zone appeared in the
vicinity of bifurcation pipe wall，and a secondary flow appeared in the cross section．Nusselt number decreased gradually along the pipeline of the
main pipe and the branch pipe，and the heat loss ratio in branch pipe is greater than main pipe It suggested that the Nusselt heat transfer coeficient
should be piecewise loaded the boundary conditions，when employ a numerical simulation method tO an alyze the concrete temperature field．
Key words： concrete；finite element；T-junction；heat transfer coeficient
0 引言
在建筑工程、水利工程及给水排水工程中，通常存在冷却
循环管路，利用三通接头连接主管与冷却管。因此，三通管(T型
管)作为一种常见的弯管形式存在于整个系统中。在结构工程中，
水作为冷却介质常常被用于降低混凝土在固化期的水化热量，
从而避免温度裂缝的产生，这一方法已成为大体积混凝土施工
技术中的主要措施之一 。T型弯管主要由主管和分支冷却管
组成，研究T型管内部流动产生的换热系数对于准确预测结构
内部温度场是非常必要的。
国内外许多学者对于弯管内部的流动做过大量的试验和
理论研究 】。特别是在弯管内当流体状态为紊流时，往往伴随
流动损失及流阻的出现，这种现象会影响流体流动与周围介质
的换热效果。同时，在管壁附近往往出现流体分离区，横截面出
现二次流等，这些现象都会造成流体的能量损失，形成局部障
碍区，降低流体的热量传递[7_9]。对于T型弯管几何结构，主管和
分支冷却管直径往往不同，流体在经过弯曲部分后各管内部流
场分布十分复杂，而流速大小直接影响流体传热系数的分布。
工程上采用数值方法可以快速的获取混凝土结构中的温
度分布状态，计算方法主要包括耦合法和近似法[10-121。耦合法主
要考虑冷却水与混凝土共同作用，通过求解流热耦合方程确定
相应的温度场。然而，由于流体网格划分精细导致计算工作量大，
耗费时间长等，在工程上并不常用。而近似法将冷却水考虑为第
三类边界条件进行设定，计算量相对适宜，计算结果可以满足
工程需要，比较普遍应用在工程计算中。近似法计算中解决的核
心问题之一便是确定冷却水管与周围环境的热交换系数。要准
确的计算温度场必然要分析换热系数沿冷却管路径的分布情
况，特别是在弯管位嚣因二次流出现而改变的热量损失程度。努
赛尔数(Nusselt coeficient)是表征对流换热强弱的参数，能够
反映冷却介质与周围环境之间的热交换能力。为此，本研究采用
数值模拟的方法计算了T型弯管中冷却水的流场分布及，vu数
沿管长方向的变化曲线，分析了不同位置 数的分布规律。同
时分析了横截面二次流对Ⅳu换热系数的影响，计算结果对采用
近似方法求解混凝土结构内部温度场具

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